Análise de Falhas Abrangente: Prevenindo Perdas de Equipamentos e Reduzindo Custos

Análise de Falhas

Falhas de componentes e conjuntos de equipamentos, ou estruturas na indústria podem causar perda de vidas, paralisações não programadas, aumento de custos de manutenção e reparo, e disputas judiciais prejudiciais.

Para prevenir a recorrência futura do problema causado pelas falhas, é essencial realizar uma investigação em cada falha. A condução de uma investigação para uma falha é conhecida como análise de falhas.

A análise de falhas é um processo de coleta e análise de dados e é realizada para determinar as causas ou fatores que levaram à perda indesejada de funcionalidade ou falhas de componentes e conjuntos de equipamentos, ou estruturas. É um processo multinível que inclui investigação física. O escopo normal de uma análise de falhas é encontrar o mecanismo de falha e a causa mais provável da falha. O termo mecanismo de falha é normalmente descrito como o processo metalúrgico, químico, mecânico ou tribológico que leva a um modo de falha particular.

Falhas de componentes e conjuntos de equipamentos, ou estruturas ocorrem como resultado de algum tipo de erro causando um elo fraco na cadeia do processo contínuo de engenharia, projeto, fabricação e operação. A causa de uma falha pode ser qualquer uma ou mais das seguintes.

• Falha no projeto
• Defeitos no material
• Deficiências durante processamento e fabricação
• Defeitos na montagem ou instalação
• Condições de serviço fora do projeto ou não intencionais
• Deficiências na manutenção (negligência e procedimentos, etc.)
• Operação inadequada

Principais etapas ao conduzir uma análise de falhas são dadas na Fig. 1.

Fig. 1 Principais etapas na análise de falhas

O princípio principal de uma análise de falhas é preservar a evidência e a informação necessária da peça ou conjunto em questão na condição como recebida e a mesma é capturada antes que qualquer coisa seja feita para alterar sua condição. Além disso, durante a análise de falhas, é necessário realizar testes em ordem do menos destrutivo para o mais destrutivo em natureza.

A análise de falhas começa com a coleta de informações sobre o histórico do componente envolvido na falha, tais como: (i) processo envolvido, (ii) a aplicação, (iii) tipo de material, suas especificações, forma, dimensões e técnica de processamento, (iv) parâmetros de projeto, (v) condições de serviço, (vi) histórico de manutenção, (vii) sequência de eventos precedendo a falha, (viii) frequência de falha e se é de natureza localizada, etc.

A inspeção do local da falha é um passo muito importante que auxilia na análise de falhas. Um exame completo da condição do componente falhado no local da falha pode fornecer muita informação. Durante a inspeção do local, é necessário dar atenção a características como localização de trincas, características de fratura, perfurações, depósitos, afinamento de parede, empenamento, e peças destacadas, etc. Além disso, sempre que possível, é necessário obter o máximo de informações possível de testemunhas oculares sobre quaisquer condições anormais precedendo a falha. Em alguns casos, a inspeção visual do componente falhado pode revelar informações que não podem ser obtidas de outra forma.

Durante a inspeção visual, é importante fotografar a máquina e o entorno, a peça falhada e a peça acoplada. A documentação fotográfica do componente falhado é sempre necessária para referência futura e inspeção adicional após deixar o local. É importante fotografar todas as características do componente falhado.

A definição clara do problema é uma parte essencial de uma análise de falhas. A profundidade da informação obtida, inspeção do local, bem como a habilidade e julgamento da pessoa que realiza a análise de falhas ajudam a definir claramente o problema. Por exemplo, o problema pode ser definido como metalúrgico, mecânico ou ambiental ou uma combinação de dois ou mais deles. Além disso, através de discussões com o pessoal concernente no local e através de inspeção visual, a pessoa que realiza a análise de falhas pode reduzir as várias possibilidades. Também a falha pode se assemelhar a um caso anterior de falha.

Baseado na causa provável de falha conforme o problema definido durante a inspeção do local, um programa experimental é desenvolvido para determinar a causa da falha. A natureza e número de experimentos selecionados devem ser tais que levem à identificação da causa da falha. Amostras necessárias para realizar os experimentos selecionados devem ser cuidadosamente retiradas de forma que representem o máximo possível todas as características do componente falhado. Depósitos ou peças destacadas do componente podem fornecer informações valiosas. Sempre que possível, amostras removidas de seções sãs, bem como amostras nunca usadas em serviço, também devem ser coletadas para fins comparativos.

Ferramentas investigativas usadas em estudos de análise de falhas são geralmente de dois tipos: (i) ferramentas que podem ser usadas no local e (ii) ferramentas de laboratório.

A verificação do material em relação à especificação é um componente importante da análise de falhas. Análise química e análise de macroestrutura e microestrutura são realizadas para este propósito. Também testes mecânicos são realizados caso material suficiente esteja disponível para determinar resistência à tração, tenacidade ao impacto, etc., para avaliar as propriedades do componente falhado. Em muitos casos, testes de dureza superficial e microdureza são realizados para avaliar a resistência mecânica. Estes testes são realizados no componente falhado para descobrir a conformidade dos resultados com as especificações.

Análise de tensões, mecânica da fratura e análise de falha por corrosão são atividades muito valiosas em investigações de análise de falhas. Estas análises fornecem informação à pessoa investigando a falha se o material usado foi a escolha certa para atender aos requisitos de sua aplicação.

Do conhecimento das condições de serviço, como cargas ou pressões aplicadas, e geometria e tamanho do componente, é possível calcular as tensões principais desenvolvidas na peça. A comparação da tensão principal máxima com a resistência do material usado na aplicação fornece informação importante à pessoa investigando a falha sobre a adequação do material para a aplicação e se os parâmetros de projeto foram estritamente seguidos durante o serviço.

Análise usando os princípios da mecânica da fratura fornece informação valiosa à pessoa investigando a falha sobre a tensão desenvolvida no componente falhado no momento da fratura em relação à tensão de projeto, particularmente no caso de propagação de trinca por mecanismo frágil.

No caso de falha por fadiga, é importante determinar o número de ciclos precedendo a fratura por mecanismo de fadiga. O método baseado na medição do espaçamento de estrias de fadiga é geralmente conveniente, desde que as estrias sejam claramente visíveis nas superfícies de fratura.

Um exame cuidadoso e completo da macroestrutura (ampliação usual 10x) e microestrutura do material envolvido na falha pode fornecer pistas importantes. Se possível, as características estruturais de amostras removidas do componente falhado com aquelas representativas de amostras removidas de seções sãs, bem como de amostras nunca usadas em serviço, devem ser comparadas. Também é necessário referir-se a quaisquer recomendações específicas do fabricante do equipamento sobre o uso do material.

O exame macroestrutural pode fornecer informação sobre o caminho da fratura e a localização de onde se originou, por exemplo, superfície interna ou externa.

A seleção da técnica adequada para exame microestrutural depende do tipo de informação requerida. No entanto, microscopia óptica é geralmente empregada para começar a conhecer as características microestruturais gerais, como tamanho e forma de grão, precipitados secundários e sua distribuição, e microfissuras e sua localização. Um tamanho de grão anormalmente grande é indicação de que o material foi exposto a temperatura excessivamente alta. Forma do grão e forma de gêmeos de recozimento fornecem informação sobre a quantidade de trabalho a frio. Alongamento de grãos indica que o material foi fortemente trabalhado a frio. Fronteiras de gêmeos curvadas indicam que o material foi deformado plasticamente. Linhas de escorregamento finas dentro dos grãos também indicam deformação plástica do material. Se precipitados secundários são vistos na microestrutura, sua natureza e morfologia precisam ser examinadas.

Durante o exame das características microestruturais, é necessário prestar atenção à presença de microfissuras. Por exemplo, trincas de contorno de grão podem resultar de deformação por fluência ou fragilização dos contornos de grão por precipitados de uma fase secundária.

Embora seja possível obter muita informação sobre as características de fratura por exame visual, ainda é necessário o exame microestrutural da superfície de fratura usando microscópio eletrônico de varredura para conhecer o mecanismo responsável pela fratura. Uma fratura pode ocorrer por sobrecarga súbita ou por propagação de uma trinca até o ponto que causa fratura. A propagação de trinca pode ocorrer por diferentes mecanismos. Portanto, é necessário conhecer a morfologia da superfície de fratura para encontrar o mecanismo que causou a fratura.

Durante o exame visual, se quaisquer depósitos de corrosão são notados, então é necessário determinar a natureza dos depósitos. O depósito pode ser óxido, sulfeto, cloreto ou carboneto, etc. No caso de depósitos de corrosão, é necessário conhecer a natureza do ambiente operacional e a resistência à corrosão do material a esse ambiente.

É muito importante para a pessoa investigando a falha distinguir entre o modo de falha e a causa da falha. Às vezes, os dois termos são misturados, levando a grande confusão. Para prevenir falhas futuras, é essencial identificar a causa da falha. Como exemplo, modo de falha é dureza superficial inadequada do componente falhado, mas a causa da falha pode estar relacionada à seleção errada do material ou condições de operação inadequadas.

A interpretação precisa e detalhada de todos os dados obtidos durante as várias etapas da análise de falhas é importante para uma análise de falhas. Sem ela, inferências adequadas necessárias para encontrar a causa exata da falha não podem ser tiradas. Determinação inadequada da causa durante a análise de falhas leva a ações corretivas erradas que não ajudam na prevenção de falhas futuras.

Investigações de análise de falhas não são completadas sem um relatório detalhado. O relatório deve incluir um conjunto de recomendações para prevenir falhas futuras. As recomendações devem ser consistentes com os resultados da investigação. Além disso, as recomendações podem fornecer soluções de curto prazo, bem como soluções de longo prazo.